Dioden, Sensoren und Datenschutz

Die Diode: ein Ventil für den Strom

Eine Diode ist ein Bauteil mit zwei Anschlüssen. Sie leitet den Strom nur in einer Richtung. Man kann sie sich wie ein Rückschlagventil in einer Wasserleitung vorstellen: Das Wasser fließt in die eine Richtung durch, in die andere Richtung bleibt das Ventil zu.

Das Dreieck im Schaltzeichen zeigt in die Durchlassrichtung. Der Strich ist die Sperre. Dioden und Transistoren sind die Grundbauteile elektronischer Schaltungen, die du im Folgenden einsetzt.

Warum ist das so? Eine Diode besteht aus Halbleitermaterial, das an der Grenzfläche so aufgebaut ist, dass Ladungen nur in einer Richtung hindurchkommen. Den genauen Aufbau brauchst du in Klasse 9 nicht.

Die LED und ihr Vorwiderstand

Eine LED (Leuchtdiode) ist eine Diode, die beim Stromfluss Licht aussendet. Sie leuchtet also nur in Durchlassrichtung. Sie hat selbst fast keinen Widerstand. Schließt man sie direkt an eine Batterie an, wird die Stromstärke so groß, dass sie durchbrennt. Deshalb schaltet man einen Vorwiderstand in Reihe. Er begrenzt die Stromstärke.

Dioden als Gleichrichter

Aus der Steckdose kommt Wechselspannung. Viele Geräte brauchen aber Gleichspannung. Eine Diode lässt nur eine Halbwelle durch.

Bei der Einweggleichrichtung (eine Diode) fehlt jede zweite Halbwelle. Bei der Brückenschaltung (vier Dioden) wird die negative Halbwelle umgedreht und genutzt: Alle Halbwellen sind dann positiv. Die Spannung schwankt aber noch zwischen null und dem Höchstwert. Ein Kondensator speichert Ladung und gibt sie in den Lücken wieder ab. So wird die Spannung geglättet.

Sensoren und ihre Kalibrierung

Ein Sensor wandelt eine Messgröße wie Temperatur oder Helligkeit in ein elektrisches Signal um. Zwei Beispiele:

• NTC-Widerstand (Heißleiter): Bei steigender Temperatur sinkt sein Widerstand.

• Fotowiderstand (LDR): Je heller das Licht, desto kleiner ist sein Widerstand.

Das elektrische Signal ist aber zunächst nur eine Spannung oder ein Widerstand. Damit man daraus eine Temperatur oder eine Helligkeit ablesen kann, muss man den Sensor kalibrieren: Man misst bei bekannten Werten (Referenzthermometer, Luxmeter) das Sensorsignal und legt so die Zuordnung fest.

Kalibrieren mit Messreihe und Diagramm

Man nimmt mehrere Messwerte auf, trägt sie in ein Diagramm ein und zeichnet eine Ausgleichslinie. Dabei wird die Messgröße (zum Beispiel die Temperatur in °C) auf der x-Achse und die Sensorspannung in V auf der y-Achse abgetragen. Wähle die Skala so, dass alle Werte gut Platz haben. Dann zeichnest du die Punkte ein und legst eine Gerade (Ausgleichsgerade) so durch sie, dass die Punkte möglichst gleichmäßig darüber und darunter liegen. Mehrere Punkte sind besser als zwei. Sie zeigen, ob der Zusammenhang wirklich eine Gerade ist, und gleichen zufällige Messfehler aus.

Nicht jeder Zusammenhang ist eine Gerade. Beim LDR sinkt der Widerstand ungefähr auf die Hälfte, wenn sich die Beleuchtungsstärke verdoppelt. Das ist nur eine Näherung: Der Zusammenhang nimmt ungefähr antiproportional ab, das Produkt aus beiden Größen bleibt nur ungefähr gleich. Das Diagramm ist eine fallende Kurve, keine Gerade. Zwischenwerte schätzt man dann an der Kurve ab, nicht mit einer Geradengleichung.

Zur Unterscheidung:

Analog oder digital?

Ein analoges Signal kann jeden Wert in einem Bereich annehmen, etwa die Sensorspannung von $0{,}5\,\text{V}$ bis $1{,}3\,\text{V}$. Ein digitales Signal kennt nur bestimmte Stufen, im einfachsten Fall zwei: Ein und Aus. Analog ist zum Beispiel ein Quecksilberthermometer oder der Zeiger einer Uhr, digital ist ein Lichtschalter oder die Anzeige einer Digitaluhr.

Der Transistor als Schalter

Ein Transistor ist ein Bauteil mit drei Anschlüssen (Basis, Kollektor, Emitter). Ein kleiner Strom an der Basis steuert einen großen Strom zwischen Kollektor und Emitter: Er arbeitet wie ein elektronischer Schalter. Im Dämmerungsschalter ändert ein Fotowiderstand (LDR) mit der Helligkeit die Spannung an der Basis. Wird es dunkel, schaltet der Transistor durch und die Lampe geht an. Wird es hell, sperrt er und die Lampe geht aus.

Datenschutz: Wer weiß was über mich?

Sensoren stecken nicht nur in Heizungen und Automatiktüren. Dein Smartphone hat Lagesensoren, GPS, Mikrofon, Kamera und Pulssensor. Die Daten können nützlich sein, aber auch missbraucht werden.

Personenbezogene Daten sind Angaben, die sich auf dich als Person beziehen lassen, zum Beispiel Name, Standort, Herzfrequenz, Fotos oder Schlafzeiten. Das Recht darauf, selbst über sie zu bestimmen, schützt in Europa die Datenschutz-Grundverordnung (DSGVO).

Daten schützen

• Nur die Berechtigungen erlauben, die eine App wirklich braucht (Standort nur „beim Benutzen“).

• Starke Passwörter und Updates.

• Datensparsamkeit: nur das speichern und weitergeben, was nötig ist.

• Datenschutzerklärung lesen und Einwilligungen bewusst geben.

Zurück zum Anfang: Das Smartphone passt die Helligkeit mit einem Lichtsensor an. Dessen Signal wird kalibriert und weiterverarbeitet. Die Daten, die dabei und bei GPS oder Pulsmessung entstehen, sind personenbezogen und gehören geschützt.

Auf einen Blick

• Eine Diode leitet nur in Durchlassrichtung. Eine LED leuchtet nur so und braucht einen Vorwiderstand: $R = \dfrac{U_R}{I}$.

• Dioden können gleichrichten. Eine Diode gibt eine Halbwelle, vier Dioden (Brücke) alle, ein Kondensator glättet.

• Ein Sensor wandelt eine Messgröße in ein elektrisches Signal um. Kalibrieren heißt: Signal mit mehreren Referenzmessungen einem Messwert zuordnen.

• Zusammenhänge sind proportional, linear oder antiproportional. Das Diagramm zeigt es.

• Personenbezogene Daten schützt man durch Datensparsamkeit, Einwilligung und sichere Einstellungen.